膨脹土地區地鐵車站軌排井設計與分析

田賀卿

膨脹土地區地鐵車站軌排井設計與分析

田賀卿

摘 要：地鐵車站軌排井通常情況下采用傳統的懸臂圍護結構、圍護結構+錨索等基坑支護方式，然而膨脹土地區的獨特巖土特性導致不能使用錨索，因而需要采用車站主體結構承擔全部水、土荷載。文章通過對成都地鐵2號線保安村站軌排井設計方案進行優化調整和有限元分析，提出膨脹土地區車站軌排井設計采用主體結構受力方案，軌排井使用和監測結果表明優化調整后的軌排井滿足設計要求。

關鍵字：地鐵；膨脹土地區；車站軌排井；設計與分析

田賀卿：中鐵成都軌道交通設計院，工程師，四川成都 610031

1　工程概述

在地鐵建設后期，軌排均需通過軌排井由地面吊入隧道內，每節軌排長度為25 m，一般需要在車站、隧道結構上預留軌排井吊裝軌排，單個軌排井洞口尺寸長約30 m，寬約4.5 m。成都地鐵2號線東延伸線原有軌排基地均設置在區間U型槽敞口段，為滿足東延線全線通車要求，需要在保安村車站增設軌排井。保安村車站為地下2層島式站臺車站，采用現澆鋼筋混凝土框架結構，車站主體圍護結構采用樁+鋼管內支撐支護體系，車站東端設置軌排井，圍護結構采用樁+錨索支護體系。

保安村車站位于成都市東部臺地，根據鉆探揭示，地表多為雜填土和素填土，其下依次為黏土、粉質黏土、粉土、細砂及泥巖。其中，黏土及全風化泥巖屬于膨脹土，膨脹土具有遇水軟化、膨脹、崩解，失水開裂、收縮的特點，屬特殊性巖土，車站基坑及主體結構設計中需考慮膨脹土特殊屬性。車站場地地下水主要有上層滯水、黏土中的裂隙水、松散土層（粉土、細砂）的孔隙水以及基巖裂隙水。

2　車站軌排井設計

2.1車站軌排井原設計方案

車站軌排井原設計方案為圍護結構承擔全部水平荷載的支護方案。圍護結構采用Φ1 200 mm間距2 000 mm鉆孔樁+預應力錨索支護體系。基坑深度為17.6 m，豎向設置5道錨索，1樁1錨，設計傾角為15°，縱向設置雙拼I40a鋼圍檁，錨索錨固段錨固體鉆孔直徑為Φ300 mm，錨索自由段長度7 m，錨固段長度17 m。圍護結構外放550 mm以滿足錨索所需空間，外放空間采用頁巖實心磚回筑。基坑采用基坑外管井降水結合坑內明排水降水。本方案的主要優勢是車站主體結構所需承受的土壓力均由圍護樁及錨索承擔，車站主體結構受力不受軌排井開洞影響，不需要采取特殊結構措施（圖1）。

2.2車站軌排井設計方案調整

車站于2012年3月開始進行圍護結構施工，圍護樁施工順利，基坑于4月份進行開挖，并準備進行錨索施工。根據現場施工情況及過程中外部條件的變化，發現軌排井施工存在以下3個問題：①錨索試成孔中發現車站軌排井區域原為魚塘區域，回填土質很差，不能作為錨索承載力地層；②車站軌排井與盾構始發井結合設計，受盾構始發工期影響，施工單位對此處采用了樁+鋼管內支撐體系進行施作；③成都市建設工程施工安全監督站于2012年5 月31日下發了《關于進一步強化我市深基坑施工安全管理的通知》，其中規定“（二）、處于膨脹土分布區域基坑，場地屬三級階地的，不得使用錨索（桿）作為基坑支護體系受力構件。”因此，需對車站軌排井處的圍護結構及相應主體結構進行設計調整。

圖1　車站軌排井圍護結構斷面圖 （單位：mm）

根據工程地質情況及車站圍護樁已施作完畢的現狀，本文從車站圍護結構及主體結構2個方面進行研究分析，對車站軌排井設計方案做出調整。

2.2.1軌排井設計調整1（圍護結構方案）

針對目前車站圍護樁已經施作完畢的現場情況，為滿足遠期軌排井使用期間的圍護結構承載能力及變形控制的要求，需要在現有圍護樁外側增設圍護樁，采用雙排樁懸臂支護體系。本站基坑深度17.6 m，經過計算分析發現存在2個問題：①原有圍護樁已施作完畢，嵌固深度較深淺，不滿足整體穩定性要求；②懸臂支護體系樁頂位移太大，不滿足一級基坑變形控制要求。故，本次實施方案不采用圍護結構方案。

2.2.2軌排井設計調整2（主體結構方案）

在圍護結構方案不能解決既有問題的情況下，車站軌排井設計考慮采用主體結構方案。為同時滿足軌排井（28 m×5 m）和盾構始發井（11.5 m×7.5 m）凈空尺寸要求，二者需結合設置。根據受力要求以及外輪廓限制條件，擬定采用的環框梁結構尺寸：第1道環框梁1，2 050 mm×800 mm，第1道環框梁2，3 900 mm×800 mm；第2道環框梁1，2 050 mm×800 mm，第2道環框梁2，3 900 mm×1 000 mm；第3道環框梁1，2 050 mm×1 000 mm，第3道環框梁2，3 900 mm× 1 000 mm；站臺層根據盾構始發凈空要求不允許設置環框梁；站廳層中部設置第2道環框梁1、2，由于其侵入車站主體結構側墻內部800 mm，因此，需在軌排井施作完畢后將其人工破除。在環框梁尺寸受限的情況下，為充分利用側墻的承載能力，設計中將側墻厚度由700 mm加厚至1 250 mm。車站軌排井布置圖詳見圖2。

圖2　車站軌排井主體結構圖 （單位：mm）

3　車站軌排井有限元分析

計算采用MIDAS/GEN軟件進行三維有限元整體建模，車站各層板、墻采用厚板單元進行模擬，車站梁、柱采用梁單元進行模擬；土體對墻體（底板）水平位移和垂直位移的約束采用水平彈簧、豎向彈簧模擬，車站與土體之間的作用采用僅受壓彈簧進行模擬，彈簧剛度=地基土基床系數×結構單元面積，考慮膨脹土的弱化效應對受壓彈簧剛度進行折減；有限元模型共計4 968個單元，9 196個節點，單元體按照1 m進行網格劃分；膨脹土地區除一般水土壓力荷載外，還考慮膨脹土產生的膨脹力荷載。三維有限元模型見圖3。

對車站軌排井主體結構進行三維有限元分析，其計算結果見圖4 ～9，根據圖4～9計算結果可知：第1道環框梁支座彎矩8 210 kN.m，跨中彎矩5 632 kN.m，支座剪力8 519 k N；第2道環框梁支座彎矩7 493 kN.m，跨中彎矩3 529 k N.m，支座剪力7 518 k N；第3道環框梁支座彎矩10 458 k N. m，跨中彎矩5 243 kN.m，支座剪力10 458 kN。軌排井側墻彎矩2 513 kN.m，剪力1 677 kN，軸力1 647 kN。沿車站橫向最大位移19.9 mm，沿車站縱向最大位移6 mm。車站軌排井主體結構滿足受力、變形要求。

4　車站軌排井使用和檢測

車站軌排井主體結構已于2012年12月施作完畢（圖10），為盾構始發提供了條件。施工過程中及軌排井孔洞使用期間對軌排井環框梁受力及撓度進行監測，實際監測結果滿足設計要求。

5　結論及建議

(1）車站軌排井在膨脹土地區受到地質條件的限制，采用錨索結構從施工角度及工程安全角度存在較大風險，建議通過車站主體結構設置環框梁形式來滿足承載力要求。

圖3　車站軌排井三維有限元模型

圖4　車站軌排井環框梁彎矩云圖（單位：kN.m）　

圖5　車站軌排井環框梁剪力云圖（單位：kN）

圖6　車站軌排井板、墻彎矩云圖（單位：kN.m）

圖7　車站軌排井板、墻主軸力云圖（單位：kN）

圖8　車站軌排井板、墻剪力云圖（單位：kN）　

圖9　車站軌排井位移云圖（單位：mm）

圖10　軌排井結構現場照片

(2）本站采用的環框梁支護形式受到已完成車站圍護樁的限制，車站主體結構無法外放，部分環框梁已侵入主體結構內部空間，后期需要鑿除，施工難度較大，建議采用圍護結構和主體結構同時外放，避免后期鑿除。

參考文獻

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[3] 張昆. 地鐵軌排井段結構設計與分析[J]. 都市快軌交通, 2012(4).

[4] 熊永華, 楊衛星, 顏勇. 某地鐵車站軌排井圍護結構設計[J]. 鐵道標準設計, 2009(9).

責任編輯 朱開明

Design and Analysis of Track Panel Well at Metro Station in Bentonite Area

Tian Heqing

Abstract:Metro station track panel wells usually adopt traditional cantilever retaining structure, the enclosure structure and cable and other foundation pit support. However due to the geotechnical properties of bentonite area, cable cannot be used, and thus it requires the use of station main body structure to bear total load of water and soil. This paper makes optimization adjustment and finite element analysis on the track panel well design at Baoanchun station of Chengdu metro line 2, and puts forward the scheme for track panel well design by using the force of station main body structure in the bentonite area. The use of track panel wells and the monitoring results show that track panel well meets design requirements after optimization and adjustment.

Keywords:metro, bentonite area, station track panel well, design and analysis

收稿日期2014-09-17

中圖分類號：TU921